Распад переохлажденного аустенита

Распад аустенита может происходить только при температурах ниже 727 °С (критическая точка AJ, когда свободная энергия аустенита выше свободной энергии продуктов его превращения (см. рисунок 6.2). Следовательно, для распада аустенит должен быть переохлажден. От степени переохлаждения, т. е. от температуры, при которой происходит распад аустенита, зависят скорость превращения и строение продуктов распада аустенита. Закономерности этого процесса характеризуются диаграммой изотермического превращения аустенита, т. е. распадом аустенита при постоянной температуре.

Если нагретую до состояния аустенита сталь быстро охладить до температуры ниже критической точки A₁ и затем выдержать при данной температуре, то превращение аустенита в феррито-цементитную смесь будет проходить в течение определенного времени. Такой процесс превращения аустенита при постоянной температуре (изотермический процесс) можно охарактеризовать зависимостями, приведенными на рисунке 7.1. После охлаждения стали до температуры t ниже температуры критической точки А ₁ аустенит сохраняется нераспавшимся некоторое время (отрезок о— а на рис. 7.1, а). Этот период времени называется инкубационным периодом. По истечении инкубационного периода начинается распад аустенита на феррито-цементитную смесь.

Рисунок 7.1 – График и кинетическая кривая изотермического превращения аустенита

Рисунок 7.2 – Кинетические кривые изотермического превращения аустенита при различных температурах

С течением времени аустенит распадается все больше (отрезок а — б). Полный распад аустенита заканчивается по истечении времени, равного отрезку а — в (рисунок 7.1, б). Следовательно, для распада аустенита на феррито-цементитную смесь при какой-то заданной температуре требуется определенное время. Кривые изотермического распада переохлажденного аустенита приведены на рисунке 7.2. Кривая превращения аустенита в феррито-цементитную смесь при температуре t₁ более низкой, чем температура A₁ приведена на рисунке 7.2, а. При температуре t₂ более низкой, чем температура t₁ уменьшается время как инкубационного периода, так и распада аустенита на феррито-цементитную смесь, что объясняется увеличением разности свободных энергий аустенита и перлита (фактор, ускоряющий превращение), а скорость диффузии, хотя и снижается (фактор, замедляющий превращение), еще дoстaточна велика. При температуре t₃ это время наименьшее, аустенит наименее устойчив и распад его происходит наиболее быстро. С понижением температуры ниже температуры t₃ (при температурах t₄, t₅) время инкубационного периода и время распада аустенита на феррито-цементитную смесь увеличивается, что объясняется малой скоростью диффузии. Таким образом, с понижением температуры (т. е. с повышением степени переохлаждения) от А₁ до t₃ время как инкубационного периода, так и распада аустенита на феррито-цементитную смесь уменьшается, а затем с понижением температуры ниже t₃ увеличивается. По экспериментальным кривым, полученным для многих температур переохлаждения (t₁, t ₂ и т. д.), можно построить диаграмму изотермического превращения аустенита. Строят такую диаграмму следующим образом. Экспериментальные кривые (рис. 158) совмещают на одной диаграмме (рисунок 7.2, а). По осям координат диаграммы (рисунок 7.2, б) откладывают время (ось абсцисс) и температуру распада аустенита (ось ординат).

Поскольку время распада аустенита может изменяться от нескольких секунд до нескольких часов, для удобства построения применяется логарифмическая шкала времени (In t). Затем проводят линии, соответствующие температуре A₁ и температуре начала мартенситного превращения (точка М_н). Точки а (начала распада аустенита) и б (окончания распада) для каждой температуры превращения переносят на соответствующие горизонтали температур. Затем точки а₁, a₂ и т. д. соединяют, в результате чего получается левая кривая диаграммы. После переноса и соединения точек 6_1, 6₂ и т. д. получается правая кривая диаграммы. Получившиеся кривые похожи на русскую букву С, поэтому их называют С-кривыми. Левая кривая характеризует начало распада, a правая — окончание распада аустенита на феррито-цементитную смесь. В области между вертикальной осью и левой кривой аустенит находится в переохлажденном состоянии (инкубационный период). Минимальное время существования переохлажденного аустенита до начала его превращения в феррито-цементитную смесь называется устойчивостью аустенита (время о — а₃ на рисунке 7.3, б).

Рисунок 7.3 – Схема построения диаграммы изотермического превращения аустенита	Рисунок 7.4 – Диаграмма изотермического превращения аустенита эвтектоидной стали

Главным образом, она зависит от содержания углерода и легирующих элементов в стали и является важной характеристикой при термической обработке стали. Приведенная на рисунке 7.3, б диаграмма изотермического распада аустенита характерна для эвтектоидной стали. Если заменить условно обозначенные температуры конкретными данными, то такая диаграмма будет иметь вид, приведенный на рисунке 7.4. В зависимости от степени переохлаждения аустенита различают три температурные области его превращения: перлитную, промежуточного превращения и мартен-ситную.

Перлитное превращение. Перлитная область распространяется на интервал температур от критической точки a₁ до изгиба С-кривой (~550°С). Распад аустенита с образованием перлита (эвтектоидный распад) является диффузионным процессом и развивается в результате флуктуации состава (неоднородности в распределении углерода в аустените). Как любой диффузионный процесс (например, кристаллизация жидкости) распад аустенита происходит путем возникновения зародышей (ч. з) и роста их с определенной скоростью (с. р). В аустените (рисунок 7.5, а), оказавшемся в неравновесном состоянии при температуре ниже А₁, углерод диффундирует к наиболее дефектным местам кристаллической решетки, к местам скопления вакансий вблизи границ зерен. Поэтому зародыши цементита образуются по границам зерен аустенита (рисунок 7.5, б). Рост зародышей цементита происходит вследствие диффузии углерода из прилегающего аустенита, что приводит к обеднению углеродом аустенита, окружающего образовавшиеся пластинки цементита, и способствует превращению его в феррит за счет полиморфного превращения решетки г.ц.к. в о.ц.к. Поэтому рядом с пластинками цементита образуются пластинки феррита (рисунок 7.5, в). Дальнейшее утолщение ферритных пластинок ведет к обогащению окружающего аустенита углеродом, что приводит к зарождению новых пластинок цементита (вдоль границы аустенита) или к росту уже имеющихся. Таким образом, возникают участки перлита, называемые перлитными колониями, в которых пластинки цементита и феррита расположены параллельно.

При дальнейшем росте перлитной колонии эти пластинки удлиняются (краевой рост) (рисунок 7.5, г) и присоединяют новые пары пластинок (цементита и феррита), параллельные исходным (боко-

Рисунок 7.5 – Последовательные стадии (а-г) образования перлитных зерен в зерне аустенита	Рисунок 7.6 – Схема перераспределения углерода на фронте перлитного превращения

вой рост, рисунок 7.5, д). При краевом росте вблизи фронта распада А Б (рисунок 7.6) аустенит неоднороден: У торца цементитной пластинки концентрация углерода низкая, а у торца ферритной пластинки — высокая. Такой перепад концентраций в аустените обеспечивает диффузионный перенос углерода вдоль фронта распада путем его диффузии в аустените, как показано стрелками на рисунке 7.6, от мест обогащения возле феррита к местам обеднения возле цементита, что обеспечивает продолжение роста пластинок цементита и феррита. Такой процесс роста (краевого и бокового) перлитных колоний происходит до их столкновения, срастания и превращения всего аустенита в перлит (рисунок 7.5, е). Структура, состоящая из чередующихся параллельных пластинок феррита и цементита, характерна для всей перлитной области (от точки a₁ до изгиба С-кривой). Разница заключается только в том, что с увеличением переохлаждения ниже 727 °С (с понижением температуры изотермической выдержки) увеличивается число зародышей на границах аустенитного зерна, пластинок феррита и цементита оказывается больше, они становятся более тонкими и искривленными. Межпластиночное расстояние l_o (см. рисунок 7.6), под которым понимают сумму толщин двух соседних пластинок феррита и цементита, уменьшается. С уменьшением межпластиночного расстояния значительно изменяются механические свойства — повышается прочность и твердость и уменьшается пластичность.

Под перлитом понимают продукты эвтектоидного распада аустенита, образующиеся при температурах 650—700 °С (lo = 0, 6—1, 0 мкм; НВ 180—250). Если аустенит переохлажден до 600—650 °С и при этих температурах распадается, то образующаяся более мелкая феррито-цементитная смесь называется сорбитом (lo — 0.25—0, 3 мкм; НВ 250—350). При переохлаждении аустенита до 500— 600 °С образуется еще более мелкая феррито-цементитная смесь, называемая трооститом (lo — 0, 1—0, 15 мкм; НВ 350—450).При изотермическом превращении аустенита доэвтектоидных сталей в интервале температур выше изгиба С-кривой процесс начинается с образования избыточного феррита, что на диаграмме характеризуется линией а —б (рисунок 7.7).

Рисунок 7.7 – Диаграмма изотермического превращения доэвтектоидной стали

Так как растворимость углерода в a-железе значительно меньше, чем в g-железе, то превращению аустенита в феррит предшествует диффузия углерода (от периферии в глубь зерна), в результате чего участки аустенита, обедненные углеродом, превращаются в феррит, а аустенит обогащается углеродом (рисунок 7.8). При небольшой степени переохлаждения (при температуре немного ниже точки a₁) углерод диффундирует в глубь зерна до тех пор (все с большим образованием феррита), пока аустенит не обогатится до содержания 0, 8 % С, после чего происходит перлитное превращение (рисунок 7.8, а).

С повышением степени переохлаждения (с понижением температуры) изотермическое превращение ускоряется, диффузия углерода протекает в меньшей степени, избыточного феррита образуется меньше и получающаяся феррито-цементитная смесь содержит углерода меньше 0, 8 %. При температуре, соответствующей изгибу С-кривой, диффузия углерода значительно уменьшается и аустенит распадается без образования избыточного феррита. Получается феррито-цементитная смесь (троостит) с таким количеством углерода, которое содержит данная доэвтектоидная сталь.

a – немного ниже точки А1; б – значительно ниже А1; в – при температуре, соответствующей изгибу С- кривой Рисунок 7.8 – Последовательные стадии распада аустенита доэвтектоидной стали при разных степенях переохлаждения

При изотермическом превращении заэвтектоидной стали процесс аналогичен; разница только в том, что вместо избыточного феррита из аустенита выделяется избыточный цементит и аустенит обедняется углеродом. Как правило, образовавшаяся феррито-цементитная смесь содержит более 0, 8 % углерода. Получающаяся при распаде аустенита феррито-цементитная смесь, содержащая углерода меньше (или больше) 0, 8 %, называется квазиэвтектоидом (ложным эвтектоидом).

Рекомендуемая литература

Основная 1 [168-180]

Контрольные вопросы

1. Какие условия необходимы для превращения аустенита в перлит?

2. Что называется инкубационным периодом?

3. Что называется устойчивостью аустенита?

4. Что называется межпластиночным расстоянием?

5.Что общего и чем отличаются перлит, сорбит и троостит?